高温合金构件焊接过程温度场和残余变形的数值模拟

摘要

焊接是一个非平衡加热和冷却的复杂过程，焊缝区及其附近受到工件周围的约束而不能完全自由收缩，焊后在构件中便产生残余应力和残余变形，使得焊接质量与结构尺寸难于得到保证。而某高温合金构件由一个外壁带有四条沟槽大型复杂的薄壁壳体件和与沟槽形状相同的薄板焊接而成。由于焊缝较长且集中，采用TIG焊接方法焊后构件中残余应力和焊后变形较大，重点考虑的底座变形量达到了2.0mm，这与设计要求变形量不大于0.8mm有较大出入。为此，本文采用有限元方法，对某高温合金构件焊接过程温度场和残余变形进行数值模拟研究，以获得合理焊接工艺参数，对预测和控制高温合金构件焊后变形具有重要的指导意义。主要研究内容及结果如下：
　　基于三维建模软件CATIA建立了高温合金构件的几何模型，采用网格划分软件Visual Mesh对该构件进行了网格划分，从而建立了高温合金构件的有限元模型和搭接接头有限元模型。同时，创建了高温合金K4169热学性能和力学性能数据库。
　　基于搭接接头有限元模型，采用双椭球热源模型模拟了不同焊接速度对搭接接头温度场、残余应力和焊后变形的影响。结果显示，当其它焊接工艺参数不变时，焊缝熔池、熔合区及热影响区的形状随焊接速度增大而变的浅而窄，焊缝中心各节点的峰值温度随焊接速度增大而降低，且高温停留时间缩短；随着焊接速度的增大，焊缝残余应力先减小后增大，焊后变形逐渐减小。
　　通过上述分析焊接速度对搭接接头焊接过程温度场和残余变形的影响，可获得合理的焊接工艺参数，焊接电流I=50A，电弧电压U=13V，焊接速度v=3mm/s。
　　基于高温合金构件的有限元模型，研究了不同焊接顺序对该构件温度场、残余应力场及焊后残余变形的影响。结果表明，焊接顺序对焊接构件的焊后变形影响较大，采用焊接顺序W4-W1-W3-W2所获得的焊后残余变形最小。
　　在上述焊接顺序W4-W1-W3-W2工艺基础上进行了一定的改进，即在长焊缝与变形较大处进行点焊固定和焊完上一条焊缝冷却60s后再进行下一条焊缝焊接。改进工艺后的模拟结果显示,总变形量为1.5mm左右，而重点考虑的外壳底座的变形量大约为1.0mm，与设计要求较符合。

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第1章 绪论

1.1 选题背景和意义

1.2 焊接数值模拟

1.3 焊接温度场数值模拟的国内外研究状况

1.4 焊接应力与变形数值模拟的国内外研究状况

1.5 焊接变形的影响因素与控制方法

1.6 本课题研究的主要内容

第2章 焊接热弹塑性有限元分析的基本理论

2.1 引言

2.2 有限元法概述

2.3 有限元法分析步骤及理论

2.4 焊接温度场的有限元理论

2.5 焊接应力和变形的分析理论

2.6 热弹塑性理论

2.7 本章小结

第3章 SYSWELD软件简介及材料库的二次开发

3.1 引言

3.2 SYSWELD软件

3.3 SYSWELD软件模拟焊接过程的技术路线

3.4 材料数据库的创建

3.5 K4169高温合金简介

3.6 SYSWELD材料数据库的二次开发

3.7 本章小结

第4章 焊接接头焊接过程的数值模拟及工艺参数的优化

4.1 引言

4.2 焊接接头模型及热、力性能参数

4.3 焊接热源拟合

4.4 焊接温度场的模拟结果

4.5 焊接应力场与残余变形的模拟结果

4.6 本章小结

第5章 焊接顺序对整体构件焊接变形的影响

5.2 有限元模型的建立及焊接工艺

5.3 焊接结构焊接温度场

5.4 焊接应力场与变形结果分析

5.5 改进的焊接工艺

5.6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表论文

致 谢

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